Mit Computersimulationen haben amerikanische Physiker gezeigt, dass das von einem stark magnetisierten Plasma umgebene Schwarze Loch von Kerr aufgrund der magnetischen Wiederverbindung exponentiell sein Magnetfeld verliert. Die Ergebnisse der Methoden der Kinetik des relativistischen Plasmas und der resistiven Magnetohydrodynamik stimmen mit dem No-Hair-Theorem überein, das besagt, dass Schwarze Löcher nur durch Masse, Drehimpuls und Ladung gekennzeichnet sind. Darüber hinaus verursacht der Verlust eines starken Magnetfelds harte Röntgenstrahlen aus der Magnetosphäre des Schwarzen Lochs, schreiben Wissenschaftler in Physical Review Letters.
In der Allgemeinen Relativitätstheorie gilt allgemein, dass alle Schwarzen Löcher dem No-Hair-Theorem gehorchen: Wenn zwei Schwarze Löcher die gleiche Masse, Ladung und den gleichen Drehimpuls haben, dann können sie nicht voneinander unterschieden werden – alle anderen Informationen über ihre Vorfahren und absorbierte Materie hinter dem Ereignishorizont für den Beobachter verborgen ist.
Schwarze Löcher, die durch den Kollaps magnetisierter Sterne entstehen, werden mit einem Magnetfeld geboren, das den Ereignishorizont durchdringt. Außerdem kann ein Schwarzes Loch durch die Verschmelzung mit einem magnetisierten Neutronenstern ein eigenes Magnetfeld erhalten. Aus diesem Grund hat das Schwarze Loch Haare in Form von magnetischen Feldlinien, aber nicht lange - im Vakuum verdampft jedes masselose Feld mit einem ganzzahligen Spin schnell und lässt das Schwarze Loch "kahler" zurück.
Magnetisierte Schwarze Löcher sind jedoch selten im Vakuum zu finden: Wenn ein Schwarzes Loch durch den Kollaps eines Neutronensterns entstanden ist, wird es zwangsläufig von Plasma umgeben sein oder es entsteht Plasma durch die Erzeugung von Elektronen- Positronenpaare in der Nähe des Ereignishorizonts. Durch das Vorhandensein eines hochleitfähigen Plasmas ändern sich die Bedingungen im No-Hair-Theorem radikal – statt eines Vakuums um ein Schwarzes Loch erscheint Materie, die in der Lage ist, ein Magnetfeld zu halten und es daran zu hindern, aus dem Ereignishorizont zu springen. In diesem Fall ist das einzige mögliche Szenario für den Verlust des Magnetfeldes das Wiederverbinden der Magnetlinien, wodurch sich die Kraftlinien dehnen, brechen und sich in Form von plasmahaltigen Magnetschleifen wieder verbinden. Die resultierenden Plasmoide fallen entweder über den Ereignishorizont hinaus oder fliegen mit relativistischer Geschwindigkeit vom Schwarzen Loch weg. Dabei wird die Energie des Magnetfeldes in kinetische Energie von Teilchen und Strahlung umgewandelt. Dieser Prozess wurde 2011 bei der Simulation eines magnetisierten Schwarzen Lochs im Fall von Kollisionsplasma (die Autoren haben fälschlicherweise die kollisionsfreie Plasmaphysik vernachlässigt) und in niedriger numerischer Auflösung beobachtet. Dies führte zu einer zu langen Extinktion des Magnetfeldes und einer Verletzung des No-Hair-Theorems.
Wissenschaftler unter der Leitung von Ashley Bransgrove von der Columbia University berücksichtigten die Fehler der vorherigen Studie und verwendeten genauere numerische Simulationen der Teilchenkinetik – GRPIC (allgemein-relativistische Partikel-in-Zelle) und Magnetohydrodynamik – GRRMHD (allgemein-relativistische resistive Magnetohydrodynamik) um untersuchen den Prozessverlust des Magnetfelds durch das Schwarze Loch von Kerr.
Als Ausgangszustand wählten die Physiker ein Schwarzes Loch mit einem Dipol-Magnetfeld, in der Annahme, dass es bereits einen von Plasma umgebenen Neutronenstern absorbiert, aber noch nicht begonnen hat, Feld zu verlieren. Beide Modellierungsmethoden zeigten, dass die Entwicklung der Magnetosphäre in mehreren Stufen abläuft: Zuerst rotiert das Plasma in der Ergosphäre um das Schwarze Loch, zieht sein Magnetfeld mit und erzeugt ein poloidales Magnetfeld (dessen Linien entlang der Meridiane verlaufen) zur Gimbal-Regel. Wenn sich das poloidale Magnetfeld aufbläst, dehnen und verdicken sich die Kraftlinien am Äquator. Dadurch ähnelt das Feldlinienmuster den Feldern zweier magnetischer Monopole (Split-Monopol-Feld) - auf der Nordhalbkugel sind die Linien direkt vom Schwarzen Loch, auf der Südhalbkugel - auf das Schwarze Loch gerichtet. Das toroidale Magnetfeld (dessen Linien entlang der Parallelen gerichtet sind) ist auch in den beiden Hemisphären entgegengesetzt gerichtet. Eine solche Konfiguration von Magnetfeldern gemäß der ersten Maxwell-Gleichung führt zu einer Stromschicht in der Äquatorialebene, entlang derer eine magnetische Wiederverbindung der Felder stattfindet.
Von links nach rechts: mittlere radiale Plasmageschwindigkeit, mittlere Zenitgeschwindigkeit (θ), azimutale (ϕ) Komponente des Magnetfelds in der Magnetosphäre des Schwarzen Lochs. Grüne Linien stellen poloidale Magnetfeldlinien dar
Den Simulationsdaten zufolge tritt erstmals eine magnetische Wiederverbindung in der Nähe der sogenannten Stagnationsfläche auf, aus der sich das Plasma aus dem Schwarzen Loch herausbewegt und im Inneren von diesem absorbiert wird. So fliegen Plasmoiden, die außerhalb der Stagnationsoberfläche geboren wurden, mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit entlang der Strömungsschicht davon, während sich die innerhalb der Stagnationsoberfläche langsam, mit einer Geschwindigkeit von weniger als einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit, in Richtung des Ereignishorizonts bewegen. Es stellte sich heraus, dass die magnetische Wiederverbindungsrate im GRPIC-Modell einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit entspricht, was zehnmal höher ist als die Wiederverbindungsrate in GRRMHD. Aus diesem Grund haben die Plasmoide in GRPIC mehr Zeit zum Wachsen als in GRRMHD, bevor sie mit relativistischer Geschwindigkeit weggeworfen werden. Diese Diskrepanz ist darauf zurückzuführen, dass in GRRMHD ein vereinfachtes Partikeldiffusionsmodell verwendet wird und Plasma in GRPIC nach den ersten Prinzipien modelliert wird.
Magnetosphäre des Schwarzen Lochs in den Modellen GRPIC (oben) und GRRMHD (unten), die Farbe repräsentiert die Plasmamagnetisierung
Die Wissenschaftler führten auch magnetohydrodynamische Modellierung im dreidimensionalen Modus (GRRMHD2) durch. Ein axialsymmetrisches Bild der Magnetfeld-Wiederverbindung wurde darin nicht mehr beobachtet: Dreidimensionale Plasmoide ähneln verworrenen Röhren endlicher Länge mit einer komplexeren Topologie als denen von zweidimensionalen Plasmoiden.
Links: 3D-Modellierung der Magnetosphäre, grüne Röhren sind magnetische Feldlinien, die den Ereignishorizont durchdringen, rote Röhren verbinden magnetische Feldlinien. Rechts: 2D-Schnitt der Magnetosphäre, Farbe steht für Plasmamagnetisierung
In beiden Modellen nimmt der magnetische Fluss durch die Oberfläche des Schwarzen Lochs unabhängig von der Stärke des Magnetfelds zu Beginn des Experiments (bei stark magnetisiertem Plasma und kleinem Larmor-Radius) exponentiell schnell ab - und dies bestätigt die Erfüllung des No-Hair-Theorems. Physiker fanden auch heraus, dass die Endladung des Schwarzen Lochs Null ist, d. h. durch Entmagnetisierung wurde das Schwarze Loch wieder zu einem Kerr-Schwarzen Loch.
Zeitabhängigkeit des magnetischen Flusses am Ereignishorizont für Vakuum (Potenzgesetzzerfall), in den Modellen GRRMHD (langsamer exponentieller Zerfall) und GRPIC (exponentieller Zerfall)
Wissenschaftler entdeckten Strahlung, als sich magnetische Linien wieder verbanden, und berechneten die gesamte Verlustleistung, die ein Beobachter im Unendlichen sieht. Erwartungsgemäß wird in einem Magnetfeld über einer Million Gauss und im Grenzbereich hoher Plasmamagnetisierung fast die gesamte magnetische Energie in Strahlung im harten Röntgenbereich umgewandelt, die von außen wie ein galaktischer Magnetarblitz aussehen kann. Die Autoren stellen auch fest, dass während der "Glatze" des Schwarzen Lochs kohärente Radioemission beobachtet werden kann, sowie Maseremission, die aus der Kollision von Riesenplasmoiden mit Plasmaströmen entsteht.
Zuvor haben wir darüber geschrieben, wie Wissenschaftler das No-Hair-Theorem mit Gravitationswellen bewiesen haben, und auch den Artikel "Weiches Haar eines schwarzen Lochs" über Änderungen des klassischen Theorems über kein Haar mit Emil Akhmedov im Artikel "Let's go in the Lichtrichtung unendlich."
